克拉通巖石圈重力不穩(wěn)定過程的數(shù)值模擬及其動力學(xué)響應(yīng)

1、克拉通巖石圈重力不穩(wěn)定過程的數(shù)值模擬及其動力學(xué)響應(yīng)作為大陸內(nèi)部最古老的組成部分,克拉通一般認(rèn)為可以抵抗地幔對流的作用而穩(wěn)定存在長達幾十億年?？死ǖ貐^(qū)通常具有低的表面熱流和厚的、冷的地幔巖石圈。相比于下覆軟流圈地幔而言,克拉通地幔巖石圈在化學(xué)組分上是虧損的,因而具有低的化學(xué)組分密度從而是有浮力的。熔融虧損作用以及低溫使得克拉通巖石圈地幔具有較高的強度（粘性）。克拉通巖石圈的化學(xué)組分浮力以及高粘性有助于維持克拉通的穩(wěn)定性,因而在克拉通的演化過程中起著重要的作用。然而,并不是所有的克拉通都是一直保持穩(wěn)定的,人們同樣發(fā)現(xiàn)有一部分克拉通遭到了一定程度的破壞和改造。因此,研究克拉通的穩(wěn)定與破壞過程是理解

2、大陸演化歷史必不可少的組成部分。中國的華北克拉通是克拉通破壞的一個典型的例子。華北克拉通東部自中生代-新生代以來發(fā)育有大規(guī)模的巖漿活動,而且地球化學(xué)和地球物理學(xué)研究表明華北克拉通東部不僅是巖石圈的厚度和熱狀態(tài)發(fā)生了改變,其巖石圈地幔的化學(xué)組分也發(fā)生了改變。盡管目前大量觀測證據(jù)證實華北克拉通遭到了破壞,但是仍然有很多問題還有待解決,例如克拉通破壞的動力學(xué)過程,克拉通破壞的時空尺度等等。為解釋不同的地球化學(xué)觀測證據(jù)人們提出了不同的克拉通破壞機制,例如拆沉、熱-化學(xué)侵蝕、熔體-橄欖巖相互作用以及水化作用等。然而這些破壞機制都缺乏地球動力學(xué)模型的支持。本文的主要研究目的就是通過利用動力學(xué)數(shù)值模擬方法研

3、究克拉通巖石圈前人關(guān)于克拉通巖石圈重力不穩(wěn)定過程的研究主要是實驗室條件下基于牛頓流體流變性質(zhì)的討論。本文建立二維熱-化學(xué)對流模型,研究非牛頓流體流變條件下克拉通巖石圈在重力不穩(wěn)定性作用下的動力學(xué)演化過程及其引起的表面響應(yīng),包括不穩(wěn)定過程的演化模式、時間和空間尺度,以及地形和熱流響應(yīng)等等。數(shù)值結(jié)果顯示,非牛頓流變性質(zhì)可以有效的減小克拉通巖石圈的粘性,因而在克拉通巖石圈的不穩(wěn)定過程中起著非常重要的作用。在非牛頓流變條件下,克拉通巖石圈的不穩(wěn)定過程表現(xiàn)為分期、多階段的特征而且持續(xù)時間超過100Myr。華北克拉通東部新生代和中生代時期巖漿活動具有幕式分布特征而且持續(xù)時間接近100Myr。因此,我們的數(shù)

4、值模擬結(jié)果可以很好的解釋華北克拉通破壞時期的巖漿活動特征。而且我們發(fā)現(xiàn),克拉通巖石圈的不穩(wěn)定過程開始于巖石圈的淺部,這使得在破壞早期有大量的熱的軟流圈物質(zhì)上涌到達下地殼底部,因此可以為下地殼的榴輝巖化提供足夠的溫度,從而為地球化學(xué)觀測到的華北地區(qū)下地殼榴輝巖的存在提供動力學(xué)支持。同時,一部分失穩(wěn)的克拉通巖石圈物質(zhì)會返回到巖石圈層并與上升的軟流圈地幔物質(zhì)混合,這也解釋了華北地區(qū)古老的克拉通巖石圈地幔和新生海洋型巖石圈地幔并存的地球化學(xué)觀測。因此,本文的模擬結(jié)果所給出的巖石圈不穩(wěn)定過程為華北克拉通破壞的動力學(xué)過程提供了很好的解釋。地形和熱流是巖石圈不穩(wěn)定過程在表面最直接的響應(yīng),主要受巖石圈熱-化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的控制,因此可以用來約束克拉通破壞的動力學(xué)過程。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,克拉通巖石圈的重力不穩(wěn)定過程會抬升失穩(wěn)區(qū)域的地形和熱流,這與華北克拉通東高西低的殘余地形和熱流特征基本一致。我們的數(shù)值模擬也為定量化的研究克拉通破壞以后古老的巖石圈地幔物質(zhì)殘留提供了一個可行的辦法。根據(jù)華北克拉通東西部